5-8. ЭЛЕМЕНТЫ РАСЧЕТА И КОНСТРУКЦИИ ДУГОГАСИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ С ПРОДОЛЬНЫМ ВОЗДУШНЫМ ДУТЬЕМ, С ШУНТИРУЮЩИМ НИЗКООМНЫМ СОПРОТИВЛЕНИЕМ
Шунтирование дуги низкоомным (дугогасительным) сопротивлением является одним из средств повышения отключающей способности выключателей. Наиболее типичные принципиальные схемы шунтирования дуги посредством низкоомных сопротивлений, приведены на рис. 5-41.
При отключении после размыкания контактов в дугогасителе образуются два участка дуги 1 и 2, из которых один зашунтирован низкоомным сопротивлением Rш. В конце полупериода дуга на первом участке гаснет и дешунтированное сопротивление оказывается включенным последовательно с оставшимся, вторым, участком дуги, гаснущей b конце последующего полупериода.
Благодаря шунтированию значительно снижается скорость восстановления напряжения и амплитуда восстанавливающегося напряжения на первом участке дуги после ее гашения. Последующее
включение сопротивления в цепь второй дуги создает также благоприятные условия для ее гашения как за счет резкого сни-; жения величины отключаемого тока, так и за счет снижения; величины восстанавливающегося напряжения. Следовательно, в таких устройствах процесс гашения дуги протекает более благоприятно, чем в устройствах, не имеющих шунтирующих низкоомных сопротивлений.
В описываемых выключателях при правильно выбранной величине сопротивления отключаемая мощность может не зависеть от частоты свободных колебаний восстанавливающегося напряжения.
Рис. 5-41. Способы шунтирования дуги низкоомным сопротивлением в воздушных выключателях
Эта особенность для воздушных выключателей является очень важной, так как благодаря ей можно создать выключатель на весьма большую отключаемую мощность и на генераторное напряжение, что при отсутствии шунтирующих низкоомиых сопротивлений трудно осуществить, ибо частоты собственных колебаний при генераторных напряжениях относительно велики. Кроме того, при наличии низкоомных шунтирующих сопротивлений создаются более благоприятные условия для гашения дуги в дугогасителе при отключении токов неудаленных коротких замыканий на линиях.
Расчет дугогасительного устройства данного типа может быть сведен к следующим операциям: определению оптимальной величины шунтирующего низкоомного сопротивления; расчету геометрических параметров дугогасителей основного и вспомогательного разрывов; выбору конструктивных размеров шунтирующего сопротивления (сечение провода, шаг намотки, изоляционный каркас и т..д.).
Для выполнения расчета величины шунтирующего сопротивления необходимы следующие исходные данные:
а) электрическая и конструктивная схемы проектируемого дугогасителя (или совокупности дугогасителей);
б) номинальная мощность отключения для одиночного комплекта;
в) номинальное напряжение, относящееся к данному комплекту;
г) частоты собственных колебаний отключаемой цепи (или параметры L и С).
Рассмотрим процесс гашения дуги в дугогасителе воздушного выключателя с двумя разрывами; из которых один зашунтирован низкоомным активным линейным сопротивлением. Расчетные электрические схемы для двух стадий гашения представлены на рис. 5-42.
Рис. 5-42. К расчету процесса гашения дуги в дугогасителе с шунтирующим низкоомным сопротивлением
Для подавляющей части-полупериода тока шунтированной сопротивлением дуги (первая стадия гашения — рис. 5-42, а) справедливы соотношения:
(5-119)
где Uл — напряжение на первом (/) участке дуги; Um — напряжение на имитирующем сопротивлении; — ток дуги; /ш — ток в шунтирующем сопротивлении; Rm — величина шунтирующего сопротивления; і — ток отключаемой цепи.
Если в первом приближении исходить из статической характеристики дуги, то для случая интенсивного продольного дутья напряжение на дуге может быть рассчитано по уравнению
(5-120)
где А = 1400- постоянная, характеризующая интенсивность охлаждения ствола дуги; т — показатель степени, характеризующий способ охлаждения ствола дуги (в нашем случае можно принять m=0,25); 1 — длина дуги, см\ іл — ток дуги, а.
Конструктивно шунтирующие низкоомные сопротивления выполняются в виде спиралей, навитых из проволоки большого сопротивления на каркас из керамики или жаростойкой пластмассы. Форма каркаса может быть плоской или цилиндрической. Для спиралей применяются жаростойкие сплавы высокого омического сопротивления (согласно ГОСТ 2223—55) в виде круглой проволоки или ленты.
Шунтирующие сопротивлений комплектуются из отдельных элементов в виде отдельного конструктивного узла» Определение основных конструктивных данных этого узла производится на основании тепловых расчетов процессов адиабатного нагрева активных. элементов и переходных процессов спадания температуры нагретых частей узла при его охлаждении. Общие методы расчета этих процессов изложены в гл. 3.
Расчет междувитковой изоляции элемента сопротивления можно вести, исходя из величины общего разрядного напряжения, величина которого может быть найдена по уравнению
(5-132)
где Um—амплитуда напряжения отключаемой цепи; х- реактивное сопротивление отключаемой цепи; Rm — величина шунтирующего сопротивления; kn — коэффициент запаса (надежности).
Расчет общей электрической изоляции шунтирующего сопротивления производится на основании методов, изложенных в гл. 2.
КОНСТРУКЦИИ ДУГОГАСИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ С ПРОДОЛЬНЫМ ВОЗДУШНЫМ ДУТЬЕМ
Применяемые в настоящее время дугогасительные устройства с продольным воздушным дутьем высоковольтных воздушных выключателей можно классифицировать следующим образом.
1.,По конструкции дутьевых сопел и взаимному расположению контактов дугогасительного разрыва:
а) с односторонним дутьем;
б) с двусторонним дутьем.
По способу приведения в движение подвижных дугогасительных контактов:
а) с приводом, расположенным отдельно от дугогасителя;
б) с пневматическим приводом, встроенным непосредственно в дугогаситель;
в) с иидукционнодинамическим встроенным в дугогаситель приводом.
По общей компоновке конструкции и циклу наполнения рабочих пространств дугогасителя при операциях включения и отключения:
а) с дугогасительными разрывами в изоляционной или металлической камере ограниченного объема, кратковременно наполняемой сжатым воздухом при отключении;
б) с дугогасительными разрывами в изоляционной или металлической камере ограниченного объема, наполняемой сжатым воздухом в начале отключения и работающей в наполненном состоянии при отключенном положении выключателя;
в) с дугогасительными разрывами внутри металлической камеры большого объема, постоянно заполненного сжатым воздухом при любом положении контактов.
4. По наличию встроенных шунтирующих сопротивлений:
а) без встроенных шунтирующих сопротивлений;
б) со встроенными шунтирующими сопротивлениями. Типичная конструктивная схема дугогасительного устройства,
не имеющего встроенного привода, дана на рис. 5-44.
Труба из слоистого пластика 1, через которую к месту разрыва поступает сжатый воздух, является остовом всей конструкции. Нижний конец этой трубы имеет прочное плотное соединение с воз-духоприемным патрубком 7. На верхней части трубы укреплены соплообразный неподвижный розеточный контакт 2 и выхлопное устройство 3. В средней части трубы расположен скользящий токосъемный контакт 5 с выводным зажимом.
Подвижный контакт 4 выполнен в виде круглого стержня с тугоплавким наконечником и составляет одно целое с изоляционной 6 и стальной приводной штангой. Штанга через промежуточные звенья механизма приводится в движение от пневматического привода. Дугогаситель работает в цикле кратковременного наполнения сжатым воздухом, поэтому расстояние s между полностью разомкнутыми контактами должно соответствовать испытательному напряжению при нормальном атмосферном давлении в камере. Ход контакта велик. Дугогасительные устройства данного типа применяются в воздушных выключателях на номинальное напряжение 6—10 кВ.
Рис. 5-44. Схема конструкции дугогасителя без встроенного привода
Дугогасительные устройства со встроенным приводом в настоящее время составляют основную группу, и ими комплектуется большая часть современных выключателей на напряжение от 35 кВ и выше. Конструктивно они выполняются в различных вариантах. Типичные конструктивные схемы даны на рис. 5-45. Наиболее простая из них (рис. 5-45, а) имеет следующие основные узлы: корпус камеры 1 в виде армированного фланцами полого изолятора, изготовленного из высокопрочной керамики или какого-либо другого подобного изоляционного материала; неподвижный сплошной или соплообразный контакт 7; контактно-поршневой блок с подвижным дугогасительным контактом и выхлопные устройства 2.
Контактно-поршневой блок в простейшем его исполнении состоит из цилиндра-корпуса 3 с комплектом скользящих токосъемных контактов 6% сплошного или соплообразного контакта, составляющего одно целое с поршнем 5; главной контактной пружины 4 (при одностороннем пневматическом управлении) и буферного устройства того или иного типа, предназначенного для уменьшения силы удара и предотвращения отброса контакта в конце хода.
Рис. 5-45. Схемы конструкций дугогасителей с простым контактно-поршневым блоком: а — с одним дугогасительным разрывом; б— с двумя дугогасительными разрывами
В этом устройстве размыкание контактов при отключении происходит в тот момент, когда в процессе наполнения камеры давление достигнет некоторого заданного значения.
После погасания дуги и следующего за этим образования вне камеры дополнительного изоляционного промежутка подача сжатого воздуха в камеру прекращается, давление падает и дугогасительные контакты под действием главной пружины замыкаются. Следовательно, при такой конструкции дугогасителя в выключателе должен быть предусмотрен отделитель.
Другой вариант конструкции (рис. 5-45, б) отличается от предыдущего тем, что в нем применяется сдвоенный контактно-поршневой блок, с помощью которого одновременно образуются два
дугогасительных разрыва;, принято одностороннее дутье и более рациональная форма дутьевых сопел с дугоулавливающими электродами 8. Цикл наполнения аналогичен предыдущему.
Рис. 5-46. Схема конструкции дугогасителя с постоянным дугогасительным промежутком, со встроенным оперативным механизмом
— изоляционная дутьевая труба;
— металлический корпус камеры;
— стержневой электрод; 4 — соплообразный электрод; 5 — подвижный контакт; 6 — поршень; 7 — пружина; 8 — токосъемный контакт;
9 — изолятор
Рис. 5-47. Схема конструкции свободно- струйного дугогасителя со встроенным пневматическим приводом двустороннего действия
1 — полый изолятор; 2 — корпус камеры; 8— цилиндр; 4 — контакт-поршень; 5 — токосъемный контакт; 6 — изоляционное дутьевое сопло; 7 — неподвижный контакт; 8 — шунтирующая емкость; 9 — устройство, фиксирующее подвижный контакт во включенном положении; 10 — изоляционная труба
При отключении, после подачи сжатого воздуха в камеру, сразу же устанавливается режим дутья и одновременно приводится в движение подвижный контакт. Образовавшаяся на разрыве дуга потоком сжатого воздуха и электродинамическими силами перебрасывается в зону интенсивного дутья (сопло), где происходит ее гашение. Включение контактов происходит за счет действия главной пружины после прекращения подачи сжатого воздуха J3 камеру. Цикл наполнения и опорожнения аналогичен предыдущему.
К рассматриваемой группе (пп. 26; За) относится и так называемый свободоструйный дугогаситель, конструктивная схема которого дана на рис. 5-47. В этом устройстве дугогасительный разрыв образуется стержневым подвижным контактом 4 и расположенным вне камеры неподвижным контактом 7. Контактно-поршневой блок, в отличие от предыдущих конструкций, имеет двустороннее пневматическое управление, благодаря чему в выключателях с такими устройствами не требуется отделителя.
Конструктивная схема рис. 5-46 обладает той особенностью, что дугогасительный промежуток образован неподвижными, жестко закрепленными стержневым 3 и соплообразным 4 электродами. При включенном выключателе цепь тока создается стержневым неподвижным контактом — электродом 3 и многопластинчатым подвижным контактом 5, связанным непосредственно с поршнем встроенного пневматического привода одностороннего действия. Подвижный контакт электрически связан с металлическим дутьевым соплом.
Рис. 5-48, Схема конструкции воздухонаполненного дугогасителя со сложным встроенным пневматическим оперативным механизмом
1 —- корпус оперативного механизма; 2 — блок оперативных цилиндров; 3 — выхлопное отверстие; 4 — главная контактная пружина; 5 — рабочий объем камеры; $ —пружина тормозного кольца; 7 — буферной объем; 8 — тормозное кольцо-поршень; 9 — кольцевой упор; 10 — контакт-поршень; 11 — клапан-контакт поршня; 12 — отверстие для наполнения буферного объема; 13 — регулировочный объем; 14 — отверстие для наполнения рабочего пространства контактного цилиндра; 15 — токосъемный контакт; 16 — неподвижный контакт;
17 — изоляционная дугогасительная камера
При включении замыкание дугогасительных контактов происходит под действием сжатого воздуха, поступающего по изоляционной трубе 10 в контактно-поршневой блок. В конце включения замкнутое положение контакта фиксируется специальным устройством 9.
При отключении сжатый воздух через полый изолятор 1 поступает в дугогасительную часть камеры и в контактно-поршневой блок. Контакт-поршень 4 перемещается в сторону отключения, в зоне сопла устанавливается интенсивное воздушное дутье, за счет чего происходит гашение дуги. После того как контакт достигнет крайнего отключенного, положения, подача воздуха в камеру прекращается.
Конструктивная схема одного из дугогасителей, относящихся к группе 36, дана на рис. 5-48.
Встроенный оперативный механизм этого дугогасителя имеет белее сложную конструкцию, так как в процессе отключения действием его должно обеспечиваться:
а) быстрое перемещение подвижного контакта в положение, оптимальное для гашения дуги;
б) последующее образование между контактами необходимого изоляционного промежутка;
в) закрытие выхлопного отверстия камеры.
При отключении сжатый воздух поступает в камеру, заполняя полость разрыва контактов и буферный объем 7 оперативного механизма. В регулировочном объеме 13 давление остается нормальным. Под действием давления воздуха, поступающего через отверстие 14у контакт-клапан 11 быстро перемещается в сторону отключения и, достигнув края тормозного кольца S, на некоторое время останавливается в положении, оптимальном для гашения дуги, так как тормозное кольцо за счет разности давлений в объемах 7 и 13 в первый момент остается зафиксированным в крайнем начальном положении. Образовавшаяся на контактах дуга гаснет за счет охлаждения сжатым воздухом, вытекающим из камеры через полый контакт и выхлопное отверстие 3 в атмосферу. По мере наполнения через отверстие 12 вжатым воздухом объема 13 давление с обеих сторон тормозного кольца постепенно выравнивается, и в некоторый момент времени (когда дуга уже погасла) контакт- поршень получает, возможность дальнейшего перемещения до некоторого крайнего положения, при котором образуется требуемый увеличенный изоляционный промежуток.
Одновременно с этим тарелка клапана 11 контакта-поршня закрывает выхлопное отверстие камеры, и истечение воздуха из камеры прекращается. Таким образом, после отключения камера остается заполненной сжатым воздухом.
При включении внутренняя полость камеры быстро опорожняется, и под действием силы пружины 4 и главным образом силы давления воздуха, оставшегося в объеме 5, происходит замыкание контактов. Вибрация контактов при этом практически исключена.
Некоторые из рассмотренных выше устройств могут быть выполнены конструктивно не с изоляционной, а с металлической камерой ограниченного объема, Очевидно, в этом случае камера должна иметь высоковольтный ввод, размеры внутренней полости ее должны обеспечить необходимые изоляционные расстояния.
Конструктивная схема одного из дугогасительных устройств, помещенных в резервуар большого объема (группа Зв), дана на рис. 5-49.
Основой конструкции является толстостенный стальной резервуар 1 с двумя высоковольтными вводами 4, выхлопным опорным патрубком и монтажным люком. На внутренних концах вводов установлены главные неподвижные контакты. Внутри резервуара на опорном патрубке установлен оперативный пневматический механизм, посредством которого производятся операции включения
и отключения. В резервуаре содержится необходимый запас сжатого воздуха при заданном давлении (35 бар).
Подпитка бака сжатым воздухом из системы осуществляется через изоляционную трубу небольшого сечения.
Оперативный механизм состоит из пневматического привода дутьевого клапана и контактной системы, дутьевых сопел, главного дутьевого клапана, клапана оперативного управления, пружины и подвижной контактной системы.
Рис. 5-49. Схема конструкции дугогасителя со встроенным оперативным механизмом, помещенного внутри металлического резервуара большого объема
1 — стальной резервуар; 2 — шунтирующее сопротивление; 3 — шунтирующая емкость; 4 — высоковольтный ввод; 5 — главный подвижный контакт; 6 — неподвижный дугогасительный электрод; 7 — соплообразный дугогасительный электрод; 8 — поршень клапана управления; 9 — клапан управления; 10 — выхлопной клапан; И — поршень выхлопного клапана;
12 — оперативный поршень; 13 — приводной механизм; 14 — включающая пружина
Работает механизм следующим образом:, при отключении поршень 8 клапана управления 9 изоляционной тягой перемещается вправо, закрывая отверстие, сообщающееся с атмосферой, и открывая отверстие, через которое сжатый воздух из резервуара поступает под поршень 11, благодаря чему последний перемещает всю подвижную систему клапанов вверх и сжимает пружину 14. При этом открывается выхлопной клапан 10 и начинается истечение сжатого воздуха через дутьевые сопла. Одновременно производится размыкание главных контактов 5. Образовавшаяся на контактах дуга потоком воздуха и электродинамическими силами сдувается на дугогасительные электроды 6 и сопла 7, где она гаснет за счет интенсивного дутья.
При включенном выключателе в полости между клапаном 10 и поршнем 12 сохраняется атмосферное давление, В процессе отключения, когда поршень 12 достигает крайнего верхнего положения, через боковой канал в эту полость поступает сжатый воздух. Давлением этого воздуха верхний поршень удерживается в верхнем положении и одновременно отжимает поршень 11 с клапаном 10 вниз. При этом выхлопное отверстие закрывается и прекращается дутье. Этим заканчивается процесс отключения.
При включении выключателя клапаном управления 9 сбрасывается давление под поршнем 12. Действием давления воздуха
и силы пружины, поршень 12 переводится в нижнее исходное положение, главные контакты при этом замыкаются.
При значительном понижении давления в резервуаре замыкания контактов не происходит, так как для этого сил одних только пружин недостаточно.
В схеме токоведущей системы данного устройства между главным неподвижным контактом и дугогасительными электродами 6 включено высокоомное шунтирующее сопротивление, предназначенное для устранения опасных коммутационных перенапряжений.
Конструкция дугогасителя воздушного выключателя со встроенным сверхбыстродействующим индукционнодинамическим приводом схематически представлена на рис. 5-50,
Корпус такого устройства состоит из металлической трубы 12, составляющей одно целое с корпусом главного дутьевого клапана, находящегося под высоким электрическим потенциалом относительно земли, и дугогасительной камерой 6 сложной формы, выполненной из изоляционного материала.
В этом устройстве система двух подвижных контактов 5 и 10 и неподвижных токосъемных контактов скользящего типа образует цепь тока всех токоведущих элементов данного дугогасителя.
Рис. 5-50. Дугогаситель с продольным воздушным дутьем, со встроенным сверхбыстродействующим электродинамическим приводным механизмом для синхронизированного размыкания контактов перед переходом тока дуги через нуль
Устройство имеет два встроенных сверхбыстродействующих механизма индукционно-динамического типа. Каждый из этих механизмов состоит из дисковой катушки 3, встроенной в перегородку 4 камеры, и металлического диска 2, составляющего одно целое с подвижным контактом 5; дисковой катушки 8, встроенной в перегородку 7 камеры, и металлического диска Р подвижного контакта 10.
При включенном выключателе оконечности замкнутых контактов располагаются в главном дутьевом отверстии перегородки 7 камеры, причем отверстие со стороны подачи сжатого воздуха закрывается диском-клапаном подвижного контакта 10. Рабочие плоскости дисков 2 и 9 располагаются в непосредственной близости от наружных плоскостей дисковых катушек. Обмотки дисковых катушек включены в цепь главного контура импульсного управления процессом синхронного размыкания контактов. Контур включает в себя конденсатор емкостью С, обмотки индукционных механизмов с индуктивностью L и разрядник Р, синхронно управляемый дистанционно от первичных источников сигнала. При исходном включенном положении дугогасителя конденсатор предварительно заряжен. При операции отключения данное устройство работает следующим образом.
В начале операции отключения полость 13 дугогасителя заполняется сжатым воздухом через главный быстродействующий клапан, находящийся под потенциалом провода линии. После этого перед прохождением тока через нуль (примерно за 2 мсек до нуля, тока) замыкается цепь оперативного контура посредством разрядника Р. Импульс тока разряда конденсатора проходит через обмотки дисковых катушек, при этом благодаря электродинамическому взаимодействию тока в обмотке с током, наводимом в диске, создаются значительные электродинамические силы, отбрасывающие каждый из дисков, т. е. размыкающие контакты. При имеющихся больших электродинамических усилиях время движения, контактов в таких устройствах настолько мало, что весь процесс размыкания контактов составляет не более 1 мсек. После размыкания контактов электрическая дуга потоком воздуха, протекающим в главном дутьевом отверстии и в дутьевом сопле полого контакта, формируется в данной дутьевой системе, где и происходит ее гашение при переходе тока через нуль.
В таком устройстве полное время операции составляет менее 2 мсек.
В данном случае наибольшая величина тока дуги по сравнению с амплитудой отключаемого тока относительно мала, время горения дуги также значительно уменьшается. Поэтому создаются более благоприятные условия гашения дуги при переходе тока через нуль.
В процессе течения воздуха в каналах дутьевого устройства контакты удерживаются в разомкнутом состоянии, смыкание их происходит после прекращения подачи сжатого воздуха в камеру, т. е. после закрытия клапана.
Следовательно, выключатель с таким дугогасителем должен иметь специальный отделитель.
Следует заметить, что в этом устройстве сведено к минимуму термодинамическое торможение потока газа, которое в обычных воздухонапорных дугогасителях ограничивает предел величины
отключаемого тока. Поэтому в таких устройствах создается возможность увеличения относительного расстояния (so/dc) между контактами, т. е. величины номинального напряжения линии, относящегося к одному разрыву полюса выключателя.
